船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析

楊 晗，葉志浩，梅 丹，肖 晗

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船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析

楊 晗1，葉志浩1，梅 丹2，肖 晗1

（1.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；2.海軍工程大學(xué)理學(xué)院，武漢 430033）

船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)的脆弱性分析對確保船舶電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行有著重要意義。本文以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，對船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)的脆弱性進(jìn)行了研究。首先對某一具體的船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象，然后在此基礎(chǔ)上運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論計(jì)算船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)脆弱性和鏈路脆弱性,由此找出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最脆弱的部分。分析結(jié)果表明，該研究可為船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù),并且在在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面著手對信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化提高。

船舶 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò) 電力信息網(wǎng)絡(luò) 脆弱性

0 引言

隨著船舶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜化，對電力網(wǎng)絡(luò)的要求越來越高，使得船舶電力網(wǎng)絡(luò)越來越依賴于信息網(wǎng)絡(luò)。船舶信息網(wǎng)絡(luò)作為智能電網(wǎng)的支撐網(wǎng)絡(luò)，其可靠性已經(jīng)成為船舶電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行的先決條件[1]。為了有效確保船舶電力網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)準(zhǔn)確找出船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)的脆弱部位，采用有效的方法進(jìn)行脆弱性分析。

在傳統(tǒng)的分析方法中，主要是通過可靠性來分析電力信息網(wǎng)絡(luò)，但是這種方法僅僅針對于已知的事故類型，不能反映整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的固有缺陷，而脆弱性作為網(wǎng)絡(luò)可靠性的一種有效測度，可以衡量網(wǎng)絡(luò)在遭受攻擊或者自然失效時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能，指明網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)[2]。由于船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)也屬于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，因此復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的分析方法同樣適用于船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)。近年來，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)脆弱性的研究大量涌現(xiàn)，由于脆弱性科學(xué)目前正處于起步研究階段，不同研究領(lǐng)域?qū)Α按嗳跣浴钡母拍罾斫獯嬖诓町悾又黝惥W(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，使得脆弱性評價(jià)研究存在很多困難。本文在有限的知識范圍內(nèi)，對船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)的脆弱性進(jìn)行了分析探討。

1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)知識

幾個(gè)基本概念：

1)平均路徑長度L：在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的的最短距離dij被定義為連接這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的最短路徑所包含的總邊數(shù)。對所有節(jié)點(diǎn)對的最短距離求平均值，即可得到該網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度L

2)聚類系數(shù)C：網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)C是專門用來衡量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集聚程度的一個(gè)重要參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)可表示為

C=a／b

式中：a為連接到頂點(diǎn)i的三角形的個(gè)數(shù)；b為連接到頂點(diǎn)i的三元組的個(gè)數(shù)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)定義為

3)節(jié)點(diǎn)度數(shù)D：度是描述單獨(dú)節(jié)點(diǎn)屬性的簡單而重要的概念。對無向圖而言，節(jié)點(diǎn)i的度Ki是指與節(jié)點(diǎn)i相連的邊的數(shù)量。直觀上看，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的度越大，該節(jié)點(diǎn)越重要。網(wǎng)絡(luò)的平均度k的定義為

4)介數(shù)：介數(shù)分為節(jié)點(diǎn)介數(shù)和邊介數(shù)兩種，它是一個(gè)全局特征量，反映了節(jié)點(diǎn)或邊在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的作用和影響力。節(jié)點(diǎn)介數(shù)Bi的定義為

式中表示節(jié)點(diǎn)vj和vl之間的最短路徑條數(shù)，(i)表示節(jié)點(diǎn)vj和vl之間的最短路徑路過節(jié)點(diǎn)vi的條數(shù)。類似地，邊的介數(shù)Bij定義為網(wǎng)絡(luò)中所有的最短路徑中經(jīng)過邊eij的數(shù)量比例為

式中，表示節(jié)點(diǎn)vl和vm之間的最短路徑數(shù)，(eij)表示節(jié)點(diǎn)vl和vm之間的最短路徑經(jīng)過邊ej的條數(shù)。

在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論[4,5]中，介數(shù)的大小反映了節(jié)點(diǎn)的吞吐量、訪問量、通行能力以及節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的活躍程度。對應(yīng)到信息網(wǎng)絡(luò)中，則反映了節(jié)點(diǎn)對信息的承載能力及節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的活躍程度[6]。因此，采用節(jié)點(diǎn)介數(shù)就可以很好地描述節(jié)點(diǎn)脆弱性。

2 船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?/p>

目前，人們普遍將船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)從功能上劃分為兩個(gè)層次，分別為管理層和控制層。管理層包括電力系統(tǒng)管理工作站、供電系統(tǒng)管理工作站、交直流配電及照明管理工作站、電力推進(jìn)管理工作站、在線模擬培訓(xùn)子系統(tǒng)、服務(wù)器等。設(shè)備層包括智能傳感器、信息采集裝置等[7,8]。

在船舶信息網(wǎng)絡(luò)中較為常用的組網(wǎng)方式為以太網(wǎng)+現(xiàn)場總線，由于現(xiàn)場總線本身就是用于現(xiàn)場智能化裝置與控制室之間的通信線路，而以太網(wǎng)本身的高帶寬就特別適合管理信息的傳輸，因此這種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方式在工業(yè)自動化領(lǐng)域廣泛采用。

3 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析

在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的脆弱性分析過程中，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)承受干擾的能力以及它受影響的程度是電力信息網(wǎng)脆弱性的兩個(gè)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。信息網(wǎng)絡(luò)的脆弱性主要有物理脆弱性和結(jié)構(gòu)脆弱性，物理脆弱性的分析方法主要以可靠性分析為主，而結(jié)構(gòu)脆弱性主要以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的分析方法為主。信息網(wǎng)絡(luò)主要包括網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備和光纖等媒介，對網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備和網(wǎng)管系統(tǒng)的容量和端口配置、光纖線路的光纖類型和線路長度進(jìn)行確認(rèn)[9]，可得到信息網(wǎng)絡(luò)的物理脆弱性。

結(jié)構(gòu)脆弱性主要是描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拇嗳跣裕靶畔⒕W(wǎng)絡(luò)與船舶電力網(wǎng)絡(luò)不同，船舶信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有經(jīng)過預(yù)先規(guī)劃，通常是根據(jù)船舶電網(wǎng)的需求而建。在信息網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，介數(shù)的大小反映了節(jié)點(diǎn)的吞吐量、訪問量、通行能力以及節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的活躍程度。類似的，采用邊介數(shù)就可以很好地描述鏈路脆弱性，介數(shù)越高的光纖線路越容易引起網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇嗳酢?/p>

下面定量地對某一個(gè)船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行脆弱性分析，它的簡化結(jié)構(gòu)圖如下：

圖1為某一個(gè)船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)簡化之后的結(jié)構(gòu)圖，管理層通常使用雙環(huán)以太網(wǎng)，此處為了便于計(jì)算處理，將其看做一個(gè)單環(huán)狀的以太網(wǎng)。設(shè)備層則是用單根CAN總線組網(wǎng)并連接了區(qū)域管理、保護(hù)模塊、顯示與測量等模塊。

3.1節(jié)點(diǎn)脆弱性分析

分析網(wǎng)絡(luò)特性，對信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模并將實(shí)際的信息網(wǎng)絡(luò)抽象成圖，對給定的一個(gè)由28個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的信息網(wǎng)絡(luò)，分析脆弱性主要按如下步驟進(jìn)行：將每個(gè)獨(dú)立的終端設(shè)備都看成一個(gè)信息元，并將其抽象為點(diǎn)，確定網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點(diǎn)并編號；將每條光纖傳輸線路抽象成線，形成一個(gè)簡單圖。

根據(jù)拓?fù)鋱D寫出對應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣，導(dǎo)出矩陣文件，選取復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中的介數(shù)指標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯嗳跣缘挠?jì)算，將節(jié)點(diǎn)介數(shù)用參數(shù)bi表示，以此反映節(jié)點(diǎn)在拓?fù)鋱D中的重要程度；分析具體設(shè)備的脆弱性，在這個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)中，主要是針對集控臺和交換機(jī)設(shè)備的可靠性【10】計(jì)算，根據(jù)可靠性理論計(jì)算每臺設(shè)備的可靠性，并用參數(shù)ai表示；將以上兩個(gè)脆弱性因素進(jìn)行歸一化，可得到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的脆弱性[11]，由于與均滿足比值越大，線路的脆弱性越大，故可將用下式表示

其中，參數(shù)（1-i）表示節(jié)點(diǎn)的物理脆弱性，b表示節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浯嗳跣裕?-i）max表示設(shè)備最高脆弱性，在這里取理想值為1，b表示最大的節(jié)點(diǎn)介數(shù)，V表示節(jié)點(diǎn)在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中相對的脆弱程度。

整個(gè)通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的相對平均脆弱程度用(vi)表示:

經(jīng)過計(jì)算，(v1)=0.02518045。

3.2 鏈路脆弱性分析

在該船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)中，光纖作為主要的傳輸媒介，它的脆弱性影響著整個(gè)傳輸線路的脆弱性。鏈路脆弱性的計(jì)算過程類似于節(jié)點(diǎn)脆弱性，如下：根據(jù)光纖類型和線路長度計(jì)算光纖線路的物理脆弱性，在這里，將每段鏈路視為同等長度以及相同類型，故每段鏈路的物理脆弱性相同均為a;采用邊介數(shù)參數(shù)b來描述鏈路脆弱性;類似于節(jié)點(diǎn)脆弱性，將以上兩個(gè)脆弱性因素進(jìn)行歸一化得到單條傳輸線路的脆弱性V【11】

其中，（1-a）表示鏈路的物理脆弱性，b表示鏈路的拓?fù)浯嗳跣?，?-a）max表示鏈路最高的物理脆弱性，取理想值為1，b表示網(wǎng)絡(luò)中的最大邊介數(shù)，，示單條鏈路在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的相對脆弱程度。

整個(gè)通信鏈路的相對平均脆弱程度用(vs)表示

經(jīng)過計(jì)算，(Vsi1)=0.162904329018。

以上計(jì)算得到的數(shù)據(jù)并不是一個(gè)絕對的值，而是一種相對值，脆弱性為“0”并不表示某節(jié)點(diǎn)或鏈路完全可靠，而是說該節(jié)點(diǎn)或鏈路在所有節(jié)點(diǎn)中對船舶信息網(wǎng)絡(luò)特性影響最小。

可以直觀的判斷出以上網(wǎng)絡(luò)中最脆弱的節(jié)點(diǎn)為3、4、5、6，最脆弱的鏈路為3-4和5-6，下面我們可以對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，定量地用數(shù)據(jù)檢驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變是否可以優(yōu)化信息網(wǎng)絡(luò)。

4 船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋬?yōu)化

將信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整為下圖所示。

由圖3可知，優(yōu)化后的船舶電力信息網(wǎng)結(jié)構(gòu)是將單根的CAN總線變?yōu)镃AN雙總線。由于最脆弱節(jié)點(diǎn)為3、4、5、6，故考慮將這幾個(gè)節(jié)點(diǎn)上的單總線變?yōu)殡p總線，雖然從直觀上分析，雙總線有利于提高網(wǎng)絡(luò)性能，但我們?nèi)孕柙诤罄m(xù)的步驟中定量驗(yàn)證該做法能否降低該船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)的脆弱性。

計(jì)算步驟按照原信息網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)脆弱性及鏈路脆弱性方法進(jìn)行。

(v2)=0.01286079

(Vsi2)=0.111067498832

將兩種結(jié)構(gòu)下分別得到的信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對平均脆弱程度和鏈路相對平均脆弱程度進(jìn)行比較如下表1：

由以上計(jì)算得到的的數(shù)據(jù)綜合比較可知：調(diào)整后用雙總線的信息網(wǎng)最脆弱節(jié)點(diǎn)由（3,4,5,6）四個(gè)變成了（4,5）兩個(gè)，最脆弱鏈路由（3-4,5-6）兩條變成了（4-5）一條，并且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)相對平均脆弱程度E(v)和鏈路相對脆弱程度E(Vsi)均降低。雙總線的網(wǎng)絡(luò)脆弱性比單總線信息網(wǎng)絡(luò)脆弱性低，以上對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湔{(diào)整使得整個(gè)電力信息網(wǎng)絡(luò)性能得到優(yōu)化。

5 結(jié)束語

在本文中運(yùn)用了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的分析方法定量地對船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)的脆弱性進(jìn)行分析，并提出采用介數(shù)指標(biāo)來表征網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浯嗳跣裕謩e對物理脆弱性和拓?fù)浯嗳跣赃M(jìn)行了計(jì)算，最后將二者歸一化來表征節(jié)點(diǎn)和鏈路的脆弱性。通過圖表中的數(shù)據(jù)，我們可以得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)和各條鏈路的脆弱性排名，找出最脆弱的節(jié)點(diǎn)和最脆弱的鏈路，并對相應(yīng)的船舶電力信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)優(yōu)化來降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的脆弱性，使得其性能得到一定的提高。

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Vulnerability Analysis of Shipboard Electric Power Information Network

Yang Han1, Ye Zhihao1, Mei Dan2, Xiao Han1

(1.National Key laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Vulnerability analysis of shipboard electric power information network for ensuring safe, stable and efficient operation of shipboard electric power has great significance. In this paper, on the basis of the theory of complex networks, the vulnerability of the shipboard electric power information network is studied. Firstly, the paper abstracts the topological structure of a specific ship power information network, and then calculats the vulnerability and fragility of information network nodes and link circuit of the use of complex networks theory on this basis, whereby the entire network to identify the most vulnerable part. The results show that the study could provide a basis for optimizing design of the electric power information network, and then the topologies are optimized to improve in terms of the information network.

shipboard; complex network; electric power information network; vulnerability

TM73

A

1003-4862（2016）03-0063-05

2015-11-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377167）

楊晗（1990-），女，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)保護(hù)與安全運(yùn)行。